Приемы обучения физике на основе деятельностного подхода

11

Лекция 4. КРУГОВОРОТ ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ.

ЗАПАСЫ ВОДЫ НА ЗЕМЛЕ И В РОССИИ.

Вопросы:

1. Основные гидрологические процессы

2. Распределение суши и воды на Земном шаре.

3. Круговорот воды на земном шаре.

4. Водный баланс и водные ресурсы мира и России.

1.Основные гидрологические процессы.

К числу основных гидрологических процессов на Земле относятся следующие:

1. Выделение воды в ювенильных процессах (извержение вулканов, гейзеры, фумаролы);

2. Испарение воды (физическое и биологическое);

3. Осаждение жидкой воды, льда и снега на поверхности земли, растений, внутри почвы и геологических пород (атмосферные осадки и конденсация);

4. Поступление воды за счет таяния льда и снега;

5. Перемещение снега под действием ветра;

6. Перемещение жидкой воды на поверхности, в почвах и горных породах под действием силы тяжести, сил поверхностного натяжения, термодинамического потенциала, ветрового воздействия, градиента плотности;

7. Перемещение льда под действием силы тяжести;

8. Перенос водяного пара в атмосфере, почве и горных породах.

В ходе извержения вулканов, гейзеров и фумарол на в атмосферу и поверхность земли поступает вода, содержащаяся в потоках лавы и раскаленных газов. Количественно она трудно поддается измерению. Большинство специалистов считает, что в данный период развития Земли роль этого источника незначительна. Однако на ранних этапах геологического развития данный источник мог быть основным в формировании гидросферы.

Испарение воды – физическое и биологическое (в процессе фотосинтеза) является основным источником поступления влаги в атмосферу, а оттуда – на поверхность земли, в почву и водоносные горизонты. Физическое испарение представляет собой итог двух процессов: отрыва молекул от жидкости и переноса ее в атмосферу и возвращение молекул в жидкость из приводного слоя. Преобладание того или иного процесса определяет величину испарения с поверхности воды и почвы. На величину физического испарения наибольшее влияние оказывает температура испаряющей поверхности, влажность воздуха и скорость ветра.

Биологическое испарение (транспирация) – представляет заключительный этап процесса фотосинтеза, в ходе которого водяной пар выходит через устьчные отверстия. На процесс биологического испарения влияют температура и влажность воздуха и влажность почвы. При оптимальном увлажнении почвы биологическое испарение может превысить испарение с водной поверхности.

Осаждение жидкой воды, льда и снега на поверхности земли, растений, внутри почвы и геологических пород создает условия для образования водных объектов на поверхности суши (водотоки, водоемы, ледники и снежный покров, болота) и внутри земли (почвенная влага, грунтовые и артезианские воды). Роль того или иного вида осадков зависит от климатических условий. Осаждение создает условия для поверхностного и подземного стекания, процессов эрозии и аккумуляции вещества, переноса растворенных веществ.

Поступление воды за счет таяния льда и снега играет большую роль в областях умеренного и полярного климата, горных районах. В холодные периоды здесь происходит процесс накопления воды в твердом виде. В теплый период эти осадки быстро тают, вызывая значительное увеличение расходов и уровней.

В этих же районах иногда значительную роль играет перемещение снега, вызывающее перераспределение запасов снега по территории в холодный период со снегонакоплением в депрессиях рельефа и лесных массивах и уменьшением на открытых пространствах. Особенно выражены эти процессы в районах лесостепи и степи.

Перемещение жидкой воды на поверхности, в почвах и горных породах под действием силы тяжести, сил поверхностного натяжения, термодинамического потенциала, ветрового воздействия, градиента плотности является очень важным гидрологическим процессом, позволяющим обеспечивать перераспределение влаги на поверхности и в толще горных пород и перенос веществ (нерастворимых и растворимых) на большие расстояния. Количественно процесс характеризуется величиной расхода и скорости потока воды.

Перемещение льда под действием силы тяжести является достаточно важным процессом в ледниковых районах, обеспечивающим поступление льда к местам таяния или уноса льда морскими течениями.

Перенос водяного пара в атмосфере, почве и горных породах обеспечивает перераспределение воды в атмосфере и перенос паров воды с океана на сушу и обратно.

Все гидрологические процессы на земле взаимосвязаны и образуют единый процесс круговорота воды на земле или гидрологический цикл.

2.Распределение суши и водной поверхности на земном шаре

Водное пространство земного шара, занятое океанами и мо­рями, представляет собой единую поверхность, называемую Мировым океаном.

Из 510 млн. км² всей поверхности земного шара 361,3 млн. км², или 71%, приходится на Мировой океан и 149 млн. км², или 29%,- на сушу. Таким образом, площадь поверхности Земли, занятой водами океанов и морей, почти в 2,5 раза пре­восходит площадь суши.

Мировой океан подразделяется на 4 оке­ана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледови­тый. Внутри каждого океана выделяют моря, заливы, бухты и проливы.

Суша земного шара разделена на 5 огромных массивов - материков или континентов - Евразию, Африку, Австралию, Америку, Антарктиду.

Большая часть суши расположена в северном полушарии, где она занимает 100 млн. км², или 39%, а в южном полушарии на ее долю приходится всего 49 млн. км², или 19%, поверхности этого полушария. Площадь поверхности, покрытой водой, в се­верном полушарии равна 155 млн. км², или 61%; в южном же полушарии она составляет 206 млн. км² или 81% (в пределах каждого полушария).

Распределение площадей суши и водного пространства зем­ного шара приводится в табл. 1.

Таблица 1

Распределение суши и водной поверхности на земном шаре

Поверхность суши земного шара по условиям стока воды делится на две части: область внешнего стока и область внутреннего стока. Из 149 млн. км² площади суши область внешнего стока занимает 119 млн. км², или 80%, а остальные 30 млн. км³, или 20%, приходятся на область внутреннего стока. Кроме того, главный водораздел суши делит ее на две пока­тости: первая - со стоком в Атлантический и Северный Ледови­тый океан и вторая - со стоком рек в Тихий и Индийский океаны.

С области внешнего стока суши воды поступают не­посредственно в океаны или моря, соединенные с Мировым океаном.

Область внутреннего стока или бессточная область суши не имеет стока в океан, вода ее рек поступает в бес­сточные озера.

3. Круговорот воды на земном шаре.

Вода на земном шаре находится в непрерывном движении, в процессе которого она переходит из одного состояния в дру­гое. В этом вечном движении принимают участие воды океанов и морей, а также воды атмосферы и находящиеся в пределах суши.

Основной причиной круговорота воды является поступление коротковолновой солнечной энергии, поступающей на всю земную поверхность в количе­стве, равном 56,1·10²⁰ Кдж/ год.

Солнечная энергия обусловливает все гидрологические процессы, происходящие в гидросфере: испарение, осадки, ветры, течения и пр., так и все явления органической и неорга­нической жизни на земле. Испарение воды и образование облаков, выпадение осадков в виде дождя и снега, таяние ледников и течение рек, высыхание почвы и во­доемов, движение воды в подземных водоносных горизонтах представ­ляют собой звенья общего круговорота воды на земном шаре.

Количество воды, испаряющейся в течение года с поверхно­сти земного шара, составляет 577 тыс. км³. Большая часть (502,5 тыс. км³) приходится на Мировой океан и меньшая (74,9 тыс. км³)- на сушу. Для испарения этой огромной массы воды, участвующей в круговороте, требуется около 12,5610²⁰ кДж, что равно 22,4% всей достигающей по­верхности земли солнечной энергии.

Под влиянием солнечного тепла с поверхности океанов и мо­рей непрерывно испаряется большое количество воды. Эта масса влаги, поднимаясь в атмосферу в виде пара, переносится воз­душными течениями за сотни и тысячи километров на материки.

Пары, попадая в атмосферу, при определенных условиях сгу­щаются (конденсируются), образуя облака, которые дают осадки, выпадающие на земную поверхность в виде дождя, снега, града и т. и. Выпавшие на сушу осадки просачиваются в почву и пи­тают грунтовые воды, стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, а остальная часть их снова испаряется.

Атмосферные осадки, стекающие через реки и подземные по­токи в моря и океаны, вновь испаряются с их поверхности; затем происходит перенос водяных паров и снова возвращение их на поверхность суши в виде различного рода осадков и т. д. (рис.1).

Рис. 1. Схема круговорота воды в природе.

1- испарение с океана, моря; 2 - осадки в океан, море; 3 - осадки на поверхности суши; 4 - испарение с поверхности суши; 5 - поверхностный сток в океан, море (бессточное море); 6 -подземный сток в океан, море (бессточное море); 7 - перенос влаги с океана, моря на сушу;. 8 - пе­ренос влаги с суши в океан, море.

Этот непрерывный замкнутый процесс обмена влагой между атмосферой и земной поверхностью называется круговоро­том воды в природе. Отмечают два вида круговорота воды:

1. малый или океанический, круговорот, когда испа­рившаяся с поверхности океанов и морей влага не переносится на сушу, а, поднявшись вверх, конденсируется и возвращается непосредственно в моря и океаны в виде атмосферных осадков;

2. большой круговорот - это процесс перемещения воз­душными течениями на материки водяных паров, не выпавших в виде осадков в океаны и моря; выпадающие на поверхности суши атмосферные осадки затем снова поступают в моря и океаны в виде стока рек.

Большой круговорот включает местный, или внутриматериковый влагооборот, происходящий непосредственно на суше, когда часть выпавших осадков испаряется и снова конден­сируется (превращается в облака), затем опять выпадает в виде дождя или снега на поверхность земли. Эта влага, прежде чем вернуться в океан, совершает несколько оборотов, снабжая вла­гой территории, далеко отстоящие от океана.

Продвижение влаги внутрь материка можно проследить на примере Европейской территории России, Западной Сибири и южной части Казахстана, представляющих в климатическом отно­шении нечто целое. Весь этот район обеспечивается влагой, по­ступающей со стороны Атлантического океана и Балтийского моря. Западные и северо-западные ветры переносят водяные пары на юго-восток - в Нижнее Поволжье, Казахстан и на восток - в Западную Сибирь, причем чем дальше в глубь мате­рика, тем меньше остается влаги в воздушном потоке. Некото­рое пополнение влаги происходит за счет испарения с поверх­ности суши, где основная роль принадлежит лесу и земледель­ческим культурам, испаряющим в период вегетации сравнительно большое количество влаги. Водоемы суши (реки и озера) боль­шой роли во внутриматериковом влагообороте не играют, так как они имеют незначительную общую площадь по сравнению с материком. Итак, поступление влаги в климатически «замкну­тую» часть материка зависит от подачи влаги с океанов и морей и распределения этой влаги внутри самого материка под воз­действием тех или иных метеорологических факторов, а также от распространения растительного покрова и наличия водоемов.

Круговорот воды в пределах бессточных областей суши яв­ляется относительно самостоятельным, хотя и связанным с об­щим влагооборотом на земном шаре. Количество воды, участ­вующей в круговороте в пределах бессточных областей, состав­ляет всего 8900 км³/год.

Незначительный влагообмен бессточных областей суши с Ми­ровым океаном объясняется тем, что вода с бессточных областей попадает в него не путем непосредственного стока реками, а в результате переноса влаги в парообразном состоянии воз­душными течениями в периферические области суши или непо­средственно на моря и океаны.

Многолетние наблюдения за уровнем воды Мирового океана и стоком рек показали, что существенных изменений в их состоя­нии не произошло. Поэтому можно полагать, что между перено­сом влаги с океанов и морей на сушу и количеством воды, сте­кающей с поверхности суши в моря и океаны, имеется некото­рое равновесие. А это означает, что чем больше испарившейся влаги, будет перенесено с океанов и морей на сушу, тем больше воды принесут реки в моря и океаны.

Таким образом, исходя из предположения, что в среднем для многолетнего периода ежегодная убыль воды из океанов и морей вследствие переноса испарившейся влаги на сушу покрывается прибылью воды, приносимой реками и подземным стоком, соста­вим следующие два уравнения, выражающие условия равенства прихода и расхода воды: для океанов и морей

Z₀ = X₀ + Y₀, (3.1)

для суши

Z_c = X_c-Y_с (3.2)

где Z₀ - среднее годовое количество воды, испаряющейся с по­верхности океанов и морей; Z_c - среднее годовое количество воды, испаряющейся с поверхности суши; Х₀ - среднее годовое количество осадков, выпадающих на поверхность океанов и мо­рей; Х_с - среднее годовое количество осадков, выпадающих на поверхность суши; Y_с - средний годовой сток рек с поверхности суши.

Из уравнений следует, что: 1) с океанов и морей в среднем ежегодно испаряется количество воды, равное количеству вы­падающих на них осадков плюс речной сток; 2) с суши в сред­нем ежегодно испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на ее поверхность осадков минус речной сток.

Далее, сложив уравнения, получим общее уравнение вод­ного баланса для всего земного шара

Z₀ + Z_C = X₀ + X_C, (3.3)

т. е. испарение воды с поверхности океанов, морей и суши равно сумме осадков, выпавших на их поверхность.

Обозначим: Z₀ - количество воды, испаряемой океанами, мо­рями и переносимой ветрами на сушу; Z_c- количество воды, испаряемой сушей и переносимой ветрами на моря и океаны. Напишем зависимость

Y = Z₀- Z_c, (3.4)

т. е. средний годовой речной сток в океаны и моря равен раз­ности количества воды, переносимой с океанов и морей на сушу и с суши на моря и океаны.

Величины, входящие в уравнение водного баланса формул (3.1) - (3.4), обычно выражаются в миллиметрах слоя или объемах воды (м³, км³).

Представления о количестве воды, участвующей в кругово­роте, дают сведения об элементах водного баланса земного шара, рассчитанные специалистами ГГИ (табл. 2).

Данные табл. 2 показывают, что годовой объем осадков для всего земного шара составляет 577 тыс. км³, или 1130 мм слоя, что численно равно испарению. Годовой объем осадков на кон­тинентах 119 тыс. км³, или 800 мм, объем осадков на океанах и морях 458 тыс. км³, или 1270 мм в год. Как видно, слой осад­ков на суше в полтора раза, а объем осадков примерно в 4 раза меньше, чем на океанах и морях. Объем суммарного речного стока в Мировой океан составляет 44,2 тыс. км³, или 370 мм в год.

Таблица 2

Водный баланс земного шара

Примечание. Значения составляющих элементов водного баланса в объемах округлены.

4.Запасы воды на Земле и в России.

По подсчетам российских ученых общие запасы воды на Земле составляют 1388 млн. км³. Из этого количества воды 1338 млн. км³ или 96,4% сосредото­чено в Мировом океане.

Суммарные запасы пресных вод оцениваются в 36,7 млн.км³, что составляет 2,5% общего объема воды на Земле.

Из них во льдах Антарктиды, Грен­ландии, островов Арктики и высокогорных районов содержится 25,8 млн. км³ или 70,2 %. Эта вода практически почти не участвует во влагообороте земного шара. При условии пре­вращения этой огромной массы льда и снега в воду уровень в океанах и морях поднялся бы более чем на 65 м, а их пло­щадь возросла бы па 1,5 млн. км².

Объем пресных подземных вод составляет 10,5 млн.км³ или 28,6% запасов пресных вод. Остальная часть пресных вод – 0,5 млн.км³ или 1,4% запасов пресных вод содержится в подземных льдах зоны вечной мерзлоты (0,3 млн.км³), озерах (0,091 млн.км³), в почве (0,04 млн.км³), атмосфере ( 0,013 млн.км³), болотах (0,011 млн.км³), водохранилищах (0,006 млн.км³ ), реках (0,002 млн.км³) и биологических объектах (0,001 млн.км³).

Несмотря на то, что запас пресных вод суши по сравнению с во­дами Мирового океана представляет весьма малую величину, его роль в природе и жизни человека неоценима.

Важное значение для оценки запасов воды и их роли в хозяйственной деятельности играет продолжительность смены воды (отношение запаса воды в водном объекте к ее расходу за год). Для биологической воды этот показатель равен нескольким часам, вод атмосферы – 8 дней, русел рек – 16 дней, воды в почве – 1 год, воды в болотах – 5 лет, вода в озерах – 17 лет, подземных вод – 1400 лет, горных ледников – 1600 лет, мирового океана – 2500 лет, полярных ледников – 9700 лет, подземного льда вечной мерзлоты – 10000 лет.

С этой точки зрения наиболее важное значение играют пресные воды с малой продолжительностью водообмена , т.е. воды рек и дренируемых реками подземных вод . Их суммарные запасы или водные ресурсы оцениваются средней многолетней величиной стока воды за год и они дают надежную характеристику возобновлямых водных ресурсов.

По последним подсчетам российских ученых возобновляемые водные ресурсы Земли составляют 42780 км³, из них на долю Европы приходится 2900 км³(6,8%), Азии – 13510 км³ (31,6%), Африки – 4050 км³ (9,5% ), Северной Америки – 7890 км³(18,4%), Южной Америки – 12030 км³( 28,1%), Австралии и Океании – 2400 км³ (5,6%).

Наибольшей водообеспеченностью на уровне 1994 г. обладали Австралия и Океания (83,8 тыс.м3/чел) и Южная Америка (38,3 тыс.м3/чел), наименьшей – Азия (3,92 тыс.м3/чел), Европа (4,24 тыс.м3/чел) и Африка (5,72 тыс.м3). По прогнозам ООН наивысшими темпами роста населения обладает Африка (население к 2050 г. увеличится в 3 раза, в 1994 г. - 708 млн.чел), что приведет к чрезвычайно малой удельной водообеспеченности этого континента.

Водные ресурсы по территории континентов распределяются крайне неравномерно. Особенно малыми водными ресурсами обладают области внутреннего стока - бассейн Аральского моря, бассейн озера Чад. Здесь проблема водобеспечения является особенно критической, ее также усугубляют многочисленные экологические проблемы.

Для Российской Федерации на уровне 2002 г. общие водные ресурсы составили 4324 км³/год. По федеральным округам наибольшие водные ресурсы в Дальневосточном (1861 км³/год) и Сибирском (1336 км³/год) округах, наименьшие – в Центральном (131 км³/год) и Приволжском (286 км³/год) округах. Средняя по Российской Федерации удельная водообеспеченность – 29,8 тыс.м³/чел. Наибольшая удельная водобеспеченность наблюдается в Дальневосточном (277,8 тыс.м³/чел) и Сибирском (66,5 тыс.м³/чел), наименьшая – в Центральном (3,45 тыс.м³/чел ) и Приволжском (9,2 тыс.м3/чел) федеральных округах.

Для территории Воронежской области общие водные ресурсы составляют 13,6 км³/год, местные водные ресурсы (сформированные на территории области) – 3,30 км³/год. По абсолютной величине местных водных ресурсов Воронежская область занимает предпоследнее место в Центральном федеральном округе, последнее место - Белгородская область (2.51 км³/год). По удельной водообеспеченности Воронежская область наименее обеспечена в Центральном федеральном округе (1,42 тыс.м3/чел).